A380，復(fù)合材料的選擇如果你絞盡腦汁想減輕你所設(shè)計的物體的重量，而又不以犧牲強度為代價，你可以從創(chuàng)造世界上最大的商務(wù)飛機空中客車A380的工程師們身上或多或少得到一些啟發(fā)。A380長約73米，高約24.1 米，機身直徑約7.14米，它給世界大型噴氣式客機賦予了新的含義。A380上下的兩層加起來總共長能容納800多位乘客，可是航班的實際結(jié)構(gòu)是可乘坐550個乘客并且容納很多行李。2005年4月A380進行了首次測試飛行，并計劃于2006年年底投入商務(wù)運營，第一架A380將駛往新加坡。許多飛機從設(shè)計跨到生產(chǎn)階段都遇到了重量方面的問題，A380也是一樣。這次，空中客車的工程師們通過使用更多的復(fù)合材料，使得飛機起落裝置上承載的重量盡可能的輕，而這些復(fù)合材料比公司歷史上任何一架飛機都要用得多?？罩锌蛙嚬韭暦Q整個飛機上輕型材料的使用使飛機的有效載荷增加了30噸。令人高興 的是復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展與進步意味著A380的設(shè)計者在選擇材料時不再會捉襟見肘。那么設(shè)計者是如何根據(jù)飛機每一部分的具體要求來選擇最佳的材料與之匹配呢？簡而言之，就是競爭！公司的高級復(fù)合材料運用和資格認(rèn)證專家Roland Thevenin說：“我們把最好的材料工藝技術(shù)放在一起，對比優(yōu)劣，進行競爭篩選?！?與復(fù)合材料之間的競爭篩選一樣，殘酷的競爭評估使金屬與復(fù)合材料之間的爭奪異常激烈。一旦飛機投入商業(yè)運營，不但要考慮飛機的重量和關(guān)鍵的機械性能，而且還要綜合考慮費用、可生產(chǎn)性和可維護性。從A380的機身就可以看出這些材料競爭的結(jié)果，正如A380的設(shè)計分析主管Serge Rabois所描述的，A380機身結(jié)構(gòu)是由各種不同材料的最優(yōu)化組合所構(gòu)成的。復(fù)合材料的改進上面提到的大多數(shù)混合物都是由增強型塑料復(fù)合材料構(gòu)成的。Thevenin說，在A380的主要結(jié)構(gòu)中，22是由各種不同的增強型塑料復(fù)合材料制成的，而且大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纖維增強環(huán)氧樹脂?？罩锌蛙嚬具€在飛機的垂直尾翼上應(yīng)用了少許增強型玻璃纖維環(huán)氧樹脂，同時在飛機的鼻錐體上應(yīng)用了增強型石英環(huán)氧樹脂。由于結(jié)構(gòu)應(yīng)用在很大程度上依賴于熱固樹脂合成材料，作為機翼的前沿的一部分，A380有一個J 型鼻錐，這是由增強型玻璃纖維PPS制成的。Thevenin指出，之所以用熱塑性塑料代替早期飛機上的鉚釘鋁結(jié)構(gòu)，是因為它可以使J型鼻錐體的外殼與加強板牢固地焊接在一起。對空中客車的工程師們來說，復(fù)合材料不再是真正的火箭科學(xué)。從1985年制造的A310飛機開始，空中客車公司對在飛機的主要結(jié)構(gòu)上采用復(fù)合材料已經(jīng)有20多年的經(jīng)驗。從那個時候開始，公司逐漸將一些采用復(fù)合材料的附加結(jié)構(gòu)融入到每一架新飛機上。Thevenin 說：“為減小風(fēng)險，我們一直在一步一步的努力當(dāng)中?！盇380代表了一個很大的進步，除此之外，它還體現(xiàn)了另外一個進步它包含了許多復(fù)合結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在已往的飛機上已經(jīng)得到驗證，這其中一些飛機現(xiàn)在已經(jīng)成功飛行了1,200萬到3,500萬小時。這些結(jié)構(gòu)包括尾翼、襟翼及巨大的后壓力隔板。Thevenin指出：“這些已經(jīng)被驗證的設(shè)計當(dāng)中，我們面臨的風(fēng)險僅僅只是飛機的尺寸?！崩?，已被證明的超大型尺寸復(fù)合材料設(shè)計會產(chǎn)生一個后果，那就是空中客車的工程師們不得不壓縮設(shè)計負(fù)載裕度。然而，對于過去那些尺寸較少且較低負(fù)載的復(fù)合結(jié)構(gòu)，工程師們比較奢侈地設(shè)計了較大的負(fù)載裕度。A380的部件尺寸讓這種奢侈無影無蹤。Thevenin說道：“我們現(xiàn)在沒有任何不必要的負(fù)載裕度?！?A380創(chuàng)造了一些新的紀(jì)錄，包括一些全新復(fù)合材料的應(yīng)用，例如橫梁、上部機架、機翼翼肋、襟翼導(dǎo)軌都采用了新的復(fù)合材料。該客機上還有許多令人驚訝的CFRP結(jié)構(gòu)，尾翼和最大直徑超過6米的后機身就是由CFRP制造的。因此，體積為2.477.8立方米，重為22噸的中心翼盒擔(dān)當(dāng)著飛機結(jié)構(gòu)中心的角色。機翼翼盒主要是由碳纖維復(fù)合材料再加上一些鋁制翼肋制成，在那些超過100個座位的商務(wù)飛機中，它是第一次被使用在A380上。在所有這些復(fù)合材料的應(yīng)用中，復(fù)合材料的性能特征不會讓任何一位工程師感到驚訝。Thevenin說：“當(dāng)我們談到性能這個詞時，主要是指重量和強度。”他估計對于一個給定的強度，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的重量要比相同的金屬結(jié)構(gòu)輕15%到25%，僅中心翼盒就要比相同的鋁制機翼翼盒輕3噸。對于A380高負(fù)載部分使用的復(fù)合材料，這些沖擊敏感材料易被地面設(shè)備損壞，因此在設(shè)計時應(yīng)避免在可能被破壞的部位應(yīng)用它們。Thevenin說：“復(fù)合材料帶來了機遇，但是它本身也有局限?！盙LARE前景GLARE是一種由鋁和玻璃纖維層壓形成的另一種完全不同的復(fù)合材料，A380中另外3的材料就是由它構(gòu)成的。這種叫做GLARE的金屬纖維層壓板由鋁交互層和玻璃環(huán)氧樹脂浸料組成?？罩锌蛙囋贏380上大約使用了5000平方英尺這種材料，主要用于機身上部外殼和尾翼的主邊緣。GLARE的重量和一種標(biāo)準(zhǔn)鋁片（2024 T3）相比，減輕了15到30，具體減輕量由GLARE層的類型和厚度決定。例如，空中客車用到兩種GLARE：標(biāo)準(zhǔn)版本和高靜力強度版本，且每種版本的GLARE還具備改變纖維方向的功能。Rabois說道：“我們改變纖維方向已適應(yīng)具體的載荷情況。”因此，空中客車使用不同的纖維方向來適應(yīng)環(huán)繞壓力、軸載荷、雙軸載荷和剪應(yīng)力載荷?！癎LARE看上去同金屬一樣，卻能像復(fù)合材料一樣工作?！盧abois說，利用纖維方向可以使機械性能達(dá)到最優(yōu)。 從特性上來說，GLARE還有其他優(yōu)點。據(jù)Rabois介紹，纖維層具有防止裂縫的擴張和抗腐蝕性。另外纖維層增強了抗高溫性能，此時纖維起著保溫層的作用。最后Rabois指出通過開辟第二個載荷途徑，能夠提升纖維沖擊性能。 此材料在設(shè)計靈活性方面也得到好評。“使用鋁焊接技術(shù)，鉚釘孔的放置和大小會受到疲軟性能的限制，”Rabois指出，“GLARE對焊縫的放置沒有任何限制。”另外，這種材料允許在材料接合層插入大的面板?？罩锌蛙嚨脑O(shè)計中插入了兩個小面板并將其永久地接合起來。據(jù)Rabois所稱，這種方法免去了大量的鉚釘孔，也避免了與之相關(guān)的壓力問題。他說：“面板的大小只受限于高壓和運輸設(shè)備的大小。” 所有這些設(shè)計優(yōu)勢都不能以可修復(fù)性為代價。Rabois指出GLARE的修理幾乎和鋁一樣，只是有一些較小的步驟不同例如沒有修整凹痕和使用碳化工具。然而使用任何的材料，總是需要權(quán)衡利弊。對GLARE而言，它在硬度上是有欠缺的。這種材料與鋁片相比，彎曲系數(shù)低5到6個百分點。在個體結(jié)構(gòu)中硬度影響還不大，但是它會把載荷轉(zhuǎn)移到機身的其他部分。Rabois解釋說：“當(dāng)你降低了一個結(jié)構(gòu)的承載系數(shù)，你實際上就給其他結(jié)構(gòu)帶來了負(fù)荷?！彼^續(xù)說道，在A380上，機身上部結(jié)構(gòu)系數(shù)較低，會把所有載荷中的一部分轉(zhuǎn)移到了機身下部。接下來是成本問題。Rabois承認(rèn)GLARE與標(biāo)準(zhǔn)的鋁相比，價格上“略為昂貴”。但他也指出，從每千克重量所節(jié)約的成本來看，GLARE和高級鋁合金的花費基本上是一樣的。它還涉及到一些維護的成本，例如可以省去檢查裂縫的環(huán)節(jié)，所以到頭來這還是一筆不錯的買賣。 合適的復(fù)合材料 增強型塑料、金屬層壓板元件和金屬合金之間的競爭看起來很好解決。空中客車的工程師只需要使每種材料的機械和物理特性與機身不同部分所承受的載荷情況相匹配就可以了。雖然考慮A380的尺寸和復(fù)雜性當(dāng)然會比較困難，但是空中客車在材料選擇過程這方面還是夠簡單明了的。 然而，不同材料間的競爭往往同結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，且這些結(jié)構(gòu)最初可以用不只一種材料建造。Rabois指出：“我們知道沒有任何一種完美的材料對所有的結(jié)構(gòu)適用?！蹦脵C身舉個例子，當(dāng)考慮機械特性角度時，上部機殼和后機身可以由金屬、GLARE或CFRP三種材料構(gòu)成。同樣的，三種材料也需要稍后進行修理。 真正的決勝關(guān)鍵經(jīng)常要歸結(jié)到制造上。例如，先進的焊接技術(shù)的使用，對在一些結(jié)構(gòu)上選擇未知的金屬材料和設(shè)計是有利的。空中客車只考慮在A380上使用復(fù)合結(jié)構(gòu)，因為這樣會使他們出于領(lǐng)先地位。Thevenin說道：“制造業(yè)推進了我們的設(shè)計，反之亦然?！?他又補充道，特殊的復(fù)合材料會給人們提出一些特殊的挑戰(zhàn)，因為他們的特性是由制造過程決定的。他說：“對于復(fù)合材料而言，制造零件的同時也是在制造材料?！?空中客車讓分包商制造一些合成零件，而把真正有挑戰(zhàn)性的工作留給自己。位于法國南特市的復(fù)合材料中心的制造主管Christian Valade說：“我們集中精力制造最困難的零件?！逼渲小袄щy的”這個詞在復(fù)合材料領(lǐng)域中是指大的、厚的以及那些幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。南特市的公司處理所有這些零件，包括A380巨大的中心翼盒以及用于A340-600的巨大的（17米）、高載荷（500余噸）的龍骨橫梁。 近日在參觀中心的過程中，Valade指出一系列用于生產(chǎn)空中客車復(fù)合材料的專利制造技術(shù)。其中之一是自動停機機器，它采用了可以提高產(chǎn)量的專利雙頭設(shè)計，以及一個制造無縫結(jié)合環(huán)形機艙聲學(xué)壁板的專利系統(tǒng)，可以解決過去聲音性能降低的問題。公司還對“聯(lián)合修理”系統(tǒng)的應(yīng)用進行擴展，使其能在一個單獨的熱壓循環(huán)空間內(nèi)修理桁條和